JP2000241085A

JP2000241085A - 冷熱利用熱交換器

Info

Publication number: JP2000241085A
Application number: JP11045914A
Authority: JP
Inventors: Koichi Chino; 耕一千野; Osamu Yokomizo; 修横溝
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-02-24
Filing date: 1999-02-24
Publication date: 2000-09-08

Abstract

(57)【要約】【課題】ＬＮＧ冷熱と空気の熱交換で、安全性と空気中
の水蒸気の凝縮による配管閉塞が起きない熱交換器を提
供する。【解決手段】ＬＮＧと空気の熱交換において、ＬＮＧと
空気をそれぞれ別の伝熱管に通し、伝熱管同士の熱伝達
は両者の伝熱管を接合するプレートにおける熱交換器で
あって、熱交換に伴い、空気中の水蒸気が伝熱管内壁に
付着した氷を、伝熱管の外から海水等を流して融解させ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は空気等の気体を圧縮
機で高圧にするプロセスを含み、天然ガス（LNG)等の冷
熱源を用いて気体を冷却してから圧縮するシステムに関
する。

【０００２】

【従来の技術】石油の生産に伴って発生するメタンを主
成分とする天然ガスは気体のままでは輸送が難しいの
で、当初は燃焼して廃棄していた。近年において、その
天然ガスはパイプラインを敷設して、需要地まで移送し
て用いられるようになってきた。しかし、インドネシア
やブルネイの様に海に囲まれた国では、遠隔の需要国へ
海底のパイプラインを建設するのが難しいので、天然ガ
スを液化してＬＮＧとして専用船により日本等の需要国
に移送するようになった。日本におけるＬＮＧの輸入量
は年間で４０００万ton を上回り、火力発電所や都市ガ
スの製造、製鉄所の熱源等に利用されている。

【０００３】ＬＮＧは−１６２℃で貯蔵されており、海
水等で気化してから利用されるが、貯蔵温度と大気温度
との差に相当する冷熱量は、ＬＮＧを燃焼させた発熱量
の１.４％に相当する。その冷熱量の有効な活用方法が
模索され、液体窒素の製造や冷熱発電に用いられてき
た。冷熱発電ではＬＮＧを冷熱源に海水を高温源とし
て、フロンを媒体としてタービンを運転して発電するも
のであるが、温度差が小さいために冷熱の利用効率とし
ては１３％ほどと低く、経済的な成立性が難しいケース
がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の対象となるシ
ステムは、夜間等の余剰電力を用いて液体空気を製造
し、電力需要が増加する昼間に液体空気を用いてガスタ
ービンを運転する負荷平準化発電設備である。通常のガ
スタービンでは空気を高圧にする圧縮機の動力に、ガス
タービン出力の５０−６０％も消費される。液体空気を
用いると、液体を加圧して高圧の空気を得るのに必要な
動力が小さいので、電気出力を大幅に増加でき、昼間消
費するＬＮＧの発熱量に対する電気出力で定義される熱
効率は７５％以上になる。現在のガスタービン発電で
は、ガスタービンの排熱を用いて蒸気を発生させ、蒸気
タービンも駆動することで熱効率を５０％近くまで向上
させている。この７５％と５０％の熱効率の差により、
夜間に液体空気を製造する動力の回収ができていること
になり、負荷平準化発電が達成できる。

【０００５】余剰電力を用いて液体空気の製造にＬＮＧ
冷熱を活用すると、製造に使用する動力を大幅に低減す
ることが可能となる。液体空気を製造する方法は、空気
を高圧にしてから液体空気温度近くまで冷却し、それを
断熱膨張させることにより液化する。したがって、液体
空気を製造するのに必要な動力の大部分は、空気を高圧
に加圧するための圧縮機動力である。そこで空気を圧縮
機で加圧する前に、ＬＮＧ冷熱を用いて空気を冷却する
と、圧縮機入口で空気の密度が増大して、圧縮機の消費
動力を半減することが可能になる。ＬＮＧ冷熱で空気を
冷却する時の技術課題は、以下の２項目である。１）Ｌ
ＮＧ冷熱で空気を冷やす時に、万一ＬＮＧが漏洩しても
空気と接触しないような熱交換器の構造、２）空気を冷
却する時に、空気内に含まれる水蒸気やＣＯ₂等の成分
が熱交換器の伝熱管に付着して、流路を閉塞することの
対策。本発明は、上記の課題を解決するものであって、
その目的とするところは、ＬＮＧと空気の熱交換による
空気中の水分凝縮を抑制する低温用熱交換器を提供する
ことにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】３種類の流体を別々に流
せる熱交換器を複数設置し、流路を切り替えられる構造
とする。各熱交換器において第一の流路にＬＮＧを、第
二の流路に空気を、第三の流路に海水を流す構造とす
る。ＬＮＧを流す流路と空気を流す流路との間に間隙を
設け、この間隙を第三の海水を流す流路とする。したが
って、ＬＮＧまたは空気の何れかの伝熱管が破損して
も、間隙の流路に流れ込むだけで、両者が直接接触する
ことは無い。この間隙部にＬＮＧの伝熱管と空気の伝熱
管が、熱伝導で熱交換を行えるように多数のフィンまた
はプレートを設ける。

【０００７】ＬＮＧと空気の熱交換を行うと、空気の流
路で壁に水蒸気が氷として付着する。水蒸気が凝縮した
氷が所定の厚みになった時点で、流路を切り替えて別の
熱交換器を運転する。ＬＮＧの流れが止まった後で第三
の流路に海水を流し、空気の流路を暖めることで、壁に
付着した氷を融解除去する。ＬＮＧと空気を流す時に
は、第三の流路は何も流さないか、熱伝達を促進するた
めに不燃性の窒素等を循環させて、万一ＬＮＧか空気が
漏洩した時の検知に用いる。

【０００８】

【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施例による熱
交換器の流路構成、図２は発電プラント全体のフローシ
ートを、図３は熱交換器の構造図を示す。

【０００９】図２において海外から専用船で輸入された
ＬＮＧは、２０万ｋｌほどのＬＮＧ貯蔵タンク１内に−
１６２℃の大気圧で貯蔵されている。ＬＮＧ貯蔵タンク
の内面はコルーゲーション構造の厚さ２mmのステンレス
で製造され、その外側を断熱材として２００mmポリウレ
タンフォームと３ｍのコンクリートで覆われている。こ
のＬＮＧをサブマージドポンプ２で５.０ＭＰａまで加
圧した後で、海水を用いたオープンラック式の気化器３
でガス化し、火力発電設備４や鉄鋼プラントの熱源や、
都市ガスの原料として使用されている。

【００１０】一方で、夜間等で電力需要に余裕が生じた
場合には、ＬＮＧ流量の一部を熱交換器５に通して、ブ
ロアー６で供給される空気の冷却を行う。空気はＬＮＧ
との熱交換により−１４０℃まで冷却された後、圧縮機
７で０.７ＭＰａまで加圧される。空気を０.７ＭＰａ
まで加圧するとその温度は室温近くまで上昇するので、
再度熱交換器５により−１４０℃まで冷却し、圧縮機８
により空気の臨界圧力である３.８ＭＰａを超える４.５
Ｍｐａまで加圧する。この高圧空気を事前に液体空気温
度近くまで冷やしておいた蓄冷槽９と冷却器１０で−１
７４℃まで冷却した後で、膨張弁１１を通すと、その７
８ｗｔ％が液体空気となる。ここで、液体空気は図示し
ない分離器によって液体と気体に分けられ、２２ｗｔ％
の冷温空気はプレートフィン型の冷却器１０で高圧空気
の冷却に用いた後で大気に放出する。冷却器１０の出口
にはブロアー１２を設けて、冷却器１０における圧力損
失を大気圧まで回復する。

【００１１】製造された液体空気は液体空気貯蔵タンク
１３の中に、大気圧の状態で貯蔵される。液体空気貯蔵
タンク１３の内面や断熱構造はＬＮＧ貯蔵タンク１と類
似の構造となっている。金属配管の間隙をコンクリート
で充填した蓄冷槽９の温度は、夜間の液体空気製造によ
り空気で加熱されて温度が上昇し、液体空気の製造が終
了するころには室温近くまで上昇する。

【００１２】ここで、昼間電力需要が高くなった場合に
は、貯蔵タンク内の液体空気をポンプ１４で６.５ＭＰ
ａまで加圧して蓄冷槽９を通し、室温まで暖めた後で
更に再生熱交換器１５，１６，１７で約３３０℃まで加
温を行う。約３３０℃まで暖められた空気は、燃焼器１
８に供給される。なお、再生熱交換器１５，１６，１７
は平行流と対抗流を組み合わせた３段構成にしている。
前述した構成にすることで、各再生熱交換器の内部を低
温の空気が流れる影響で配管表面に排ガス中の水蒸気が
凝縮するのを防止することができる。このように本実施
例によれば、配管表面での水蒸気の凝縮を防止できるの
で、廉価な配管材料を選択することができる。

【００１３】燃焼器１８に供給された空気はＬＮＧと混
合されて燃焼され、その高温，高圧のガスによりガスタ
ービン１９を駆動させて、発電機２０で発電する。ガス
タービン１９から排出された排気ガスは、アンモニアを
添加する酸化チタン触媒を用いた脱硝装置２１でＮＯｘ
が除去される。脱硝装置２１を経た排気ガスは３５０℃
近い温度を保有しているので、再生熱交換器１５，１
６，１７で燃焼器に供給される空気と熱交換を行い、９
０℃まで温度を下げてから、煙突２２を通して環境へ放
出される。

【００１４】液体空気を用いた発電が終了した時点で
は、蓄冷槽９の全体は液体空気温度近くまで冷却され
る。この蓄冷槽９で昼間使用される液体空気の冷熱を液
体空気製造に再利用することで、液体空気製造における
動力を大幅に削減することができる。

【００１５】図１に示す熱交換器システムは、図２の熱
交換器５の内で、ブロアー６から圧縮機７までの個所に
相当する。図１に示した３体の熱交換器３０，３１，３
２は、それぞれ図３に示す構造になっている。図３の熱
交換器は伝熱管３３，３４とプレート３５，外枠３６で
構成されている。ＬＮＧが通る伝熱管３３と、空気が通
る伝熱間３４は本数にして１：３の割合で構成してい
る。これはＬＮＧが圧力５.０ＭＰａで空気圧力の約５
０倍も大きく、流体密度が大きいので、配管への熱伝達
が大きくなるためである。大気圧の空気から伝熱管への
熱伝達が装置の大きさを決める律速になっている場合
は、ＬＮＧ流路の伝熱管径よりも空気の伝熱管径を大き
くしたり、空気とＬＮＧの伝熱管の本数比をより大きく
することも可能である。

【００１６】ＬＮＧから空気への伝熱は、それぞれの流
体と伝熱管との熱交換の後は主として、プレート３５を
介在した熱伝導に依存する。したがって、プレート３５
の材質は炭素鋼の他に、より熱伝導率が高いアルミニウ
ムや銅を用いることが考えられる。ＬＮＧと空気を通る
配管数の比率は、ブロアー６と圧縮機７の間より、圧縮
機７と圧縮機８の間の方が空気密度が増加する分、比は
１に近づく。図３では伝熱管３３，３４は直線で示して
いるが、熱収縮による応力を緩和するために、適時曲管
部分を設けて、ＬＮＧと空気との伝熱管の熱収縮差を緩
和することもできる。

【００１７】伝熱管３３，３４と外枠３６で囲まれた部
分は、通常は空隙になっており、可燃物検知器または圧
力センサーでＬＮＧの漏洩を検出した場合には、ＬＮＧ
及び空気の流れを止める。外枠３６には上下に１個所ず
つ外部配管と接続しており、プレート３５にも４隅等に
孔が開けられており、空隙部分も流体を流せる構造にな
っている。この部分に海水または、海水で暖めた媒体を
流すことで、空気を流す伝熱管の内部に氷が付着した場
合でも、それを溶解させることができる。LNGの伝熱管
３３と空気の伝熱管３４はそれぞれ別々のヘッダーで結
合し、ヘッダーを介して他の機器と接合する。本実施例
によれば、可燃物のＬＮＧと酸化材である空気を熱交換
する時に、何れかの伝熱管に漏洩が有った場合でも、Ｌ
ＮＧと空気が混合して火災が発生する以前に、確実に流
れを停止することができるので、高い安全性を保証でき
る。

【００１８】図１で先ず熱交換器３０と熱交換器３２を
連結させて、ＬＮＧと空気の熱交換を行う。空気流路は
弁４０，４１，４２を開けて空気を流し、ＬＮＧ流路は
弁４３，４４，４５を開けてＬＮＧを流す。熱交換器３
０の出口における空気温度を−６０℃とすれば、熱交換
器３２の入口では乾燥空気と考えてよく、水分の凝縮を
心配する必要が無いので熱交換器３２は単独構成で良
い。ただし、空気中に含まれるＣＯ₂が伝熱管にドライ
アイスとして付着することが問題となる場合は、熱交換
器３２も複数系統にすることも考えられる。また、熱交
換器３２において間隙部にコンクリート等の蓄冷材を充
填させ、蓄冷機能を持たせることも考えられる。

【００１９】熱交換器３０における空気流路の伝熱管内
面には、時間とともに氷が付着し、熱交換器前後におけ
る圧力損失が増大するとともに、出口空気の温度が上昇
する。この温度変化を温度計４６で測定し―５０℃まで
上昇した段階で、熱交換器３０から熱交換器３１へ使用
する熱交換器を変更する。そこで、空気流路の弁４０，
４１を閉じて弁４７，４８を開け、ＬＮＧ流路の４４を
閉じて、弁４９，５０を開ける。ＬＮＧ流路を５.０Ｍ
Ｐａの状態で閉じて放置すると、温度上昇とともに内
部圧力が上昇する。そこで、熱交換器３０で出口のＬＮ
Ｇ流路における弁４３には圧力調整弁を用い、圧力が上
昇した場合には外部に高圧になったＬＮＧが抜けるよう
にする。

【００２０】次に、熱交換器３０でＬＮＧと空気の流れ
が停止した段階で、弁５１を開けて海水または海水で加
熱された媒体を熱交換器３０に流す。この海水等の熱で
空気流路の伝熱管内壁に付着した氷を溶解できる。この
時に弁５２を開けて、溶解した水を水貯蔵タンク５３に
貯える。一般に燃焼器で生成するＮＯｘ量は空気中の水
分が多いほど少ない。そこで、図２でガスタービンを運
転するときに、燃焼器１８の前に水貯蔵タンク５３から
水分をポンプ（図示せず）で加圧して注入することで、
再生熱交換器を出た空気の水蒸気量を増加させ、ＮＯｘ
の生成を抑制することが可能になる。熱交換器３０，３
１から熱交換器３２に結合する空気流路の配管はＵ字管
構造として、一番低い位置から水貯蔵タンク５３への流
路を接合させる。

【００２１】なお、本実施例ではＬＮＧと空気の熱交換
を実施しているときは、伝熱管外の流体は静止させてい
るが、ブロアーを設けて窒素等の不燃性気体を間隙部分
に循環させて、ＬＮＧ伝熱管と空気伝熱管との間の熱伝
達を促進させることも可能である。

【００２２】本実施例により、ＬＮＧ等の可燃性でかつ
冷熱のものと、凝縮成分を含む空気等の酸化性がある気
体を、安全にかつ凝縮成分の伝熱管への付着による閉塞
が無い、熱交換器を提供できる。

【００２３】

【発明の効果】本発明により、ＬＮＧと空気の熱交換に
よる空気中の水分凝縮を抑制する熱交換器を提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示した熱交換器の構成図。

【図２】図１の熱交換器を利用した液体空気を用いたガ
スタービン発電設備のシステムフロー。

【図３】熱交換器の構造図。

【符号の説明】

３０，３１，３２…熱交換器、３３，３４…伝熱管、３
５…プレート。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流動性のある冷熱源と冷熱源まで温度低下
すると凝縮して固体となる成分を含む気体を、両者の間
に間隙を設けて独立した流路を形成し、双方の流路を金
属で結合する熱交換器において、凝縮した固体が溶解ま
たは昇華する温度以上の流体を間隙部に流すことを特徴
とする冷熱利用熱交換器。
【請求項２】請求項１において熱交換器を複数設け、熱
交換器出口温度または熱交換器の圧力差、運転時間を基
に流路を切り替え、冷熱源が流れない熱交換器の間隙
に、凝縮した固体が溶解または昇華する温度以上の流体
を間隙部に流すことを特徴とする冷熱利用熱交換器。
【請求項３】請求項１において、冷熱源を流している熱
交換器の間隙に、窒素等の不燃性気体または液体を流す
ことを特徴とする冷熱利用熱交換器。